Pequenas partículas, grandes questões!

Pequenas partículas, grandes questões

Publicado por 

Objetivo(s) 

Entender a origem do universo e a composição da matéria

Conteúdo(s) 

 Modelos Atômicos

Ano(s) 

1º

2º

3º

Tempo estimado 

2 aulas

Material necessário 

Reportagem da Veja:

• "A máquina do fim do mundo"

Desenvolvimento 

1ª etapa 

Introdução

Uma das questões fundamentais que sempre perseguiu a humanidade refere-se à origem do universo. Cada grupo social dá uma resposta a isso. Os egípcios, por exemplo, diziam que ele se originou do caos, do qual se ergueu a deusa Nut. Já os guaranis dizem que foi obra de Nhanderú e a civilização judaico-cristã atribui sua criação a Deus. Por outro lado, os cientistas afirmam que tudo se originou de uma grande explosão. Desafie seus alunos a discutir a origem do universo do ponto de vista científico e compará-la com outras visões sobre o tema.

 

Comece a aula questionando seus alunos sobre a estrutura da matéria. Do que são feitas as coisas que conhecemos? Após ouvir as respostas, enfatize que, para os cientistas, a matéria é feita de átomos e que estes, por sua vez, também são formados por partículas menores, chamadas prótons e nêutrons (que se concentram no núcleo atômico), além dos elétrons, que se distribuem em volta desse núcleo.

2ª etapa 

Em seguida, proponha à turma a seguinte questão: Como sabemos, cargas elétricas de mesmo sinal se repelem. Se o núcleo atômico é composto por partículas de carga positiva, como os prótons, e partículas neutras, como os nêutrons, por que ele não explode? O que mantém os prótons unidos, contra a força de repulsão eletrostática? Após algumas observações, debata com eles a existência de uma força mais forte do que a elétrica, chamada força nuclear forte, que é responsável por essa liga.

Retome a questão da estrutura atômica e discuta a estrutura interna dos prótons e nêutrons, lembrando que eles, por sua vez, são compostos por partículas ainda menores e mais elementares. Por isso, prótons e nêutrons são chamados de hádrons, partículas que ocupam certo volume no espaço e possuem massa. Eles são formados por quarks, os verdadeiros tijolos do universo.

3ª etapa 

Faça uma nova indagação: Seria possível "quebrar" prótons e nêutrons, como o homem já fez com o átomo? Divida a classe em grupos, peça que todos leiam o artigo "A Máquina do Fim do Mundo", de VEJA, e reflitam sobre a possibilidade de quebrar um próton. Ao final da leitura, os grupos devem produzir um texto sobre esse assunto e apresentar as conclusões à turma.

4ª etapa 

Questione seus alunos sobre a origem do universo: quais são as explicações que eles conhecem sobre o assunto? Vá anotando no quadro as diferentes opiniões apresentadas. Pergunte a eles, então, qual eles acham mais razoável e em qual eles acreditam. Divida a turma em grupos e peça que elaborem três argumentos contrários e três argumentos favoráveis à teoria criacionista e ao big bang. Anote os itens levantados.

5ª etapa 

Para encerrar a aula, pergunte como é possível acelerar os prótons até que seja vencida a barreira da repulsão elétrica entre eles e qual seria a energia necessária para isso.

Lembre que os prótons vão colidir a uma velocidade de aproximadamente 0,9c (90% da velocidade da luz) e que a massa de um próton é de aproximadamente 1,67262158 × 10-18 microgramas. Assim eles podem obter a energia cinética por próton. Em seguida, utilize os dados da reportagem (serão 1,2 bilhão de átomos de ouro colidindo por segundo) para obter a energia cinética envolvida.

Peça, também, que calculem a força necessária para romper a barreira elétrica de repulsão entre os prótons. Para isso, será necessário utilizar a lei de Coulomb e recordar que os prótons têm a carga elétrica elementar (1,610 -19c). Qual seria a distância a considerar entre os prótons para que haja uma colisão (o tamanho de um próton é de aproximadamente 10-15m)?
Utilizando esse resultado (e a massa do próton) é possível também calcular sua aceleração durante o processo. Note que essa aceleração pode ser calculada usando a equação de Torriceli, com a velocidade final do próton (0,9 c) e a distância percorrida por ele dentro do acelerador (dada na reportagem como 27 quilômetros).

Discuta então a validade da mecânica clássica para cálculos que envolvem o mundo atômico. É possível saber a energia envolvida nessas colisões sem considerar a relação massa-energia (E=m.c2)? E as forças e acelerações envolvidas?

A releitura do texto dará dicas sobre isso, particularmente no quadro "Para Onde Vai a Energia".